Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Атмосфера и технические объекты. Система климатической защиты и пути ее совершенствования 19
1.1 Влияние атмосферы на технические конструкционные материалы, покрытия, изделия и на строительные сооружения 19
1.2 Защита объектов от влияния погоды и климата. Структура защиты. Роль и место в защите метеоданных 27
1.3 Существующие описания атмосферных условий 32
1.4 Шкалы оценок погодно-климатических условий 35
1.5 Методы определения неблагоприятности атмосферных условий для технических целей и направления их совершенствования 39
Глава 2 Энтропийной оценка погодно-климатических условий. Информационно-статистический метод 45
2.1 Особенности энтропийного подхода к оценке агрессивности атмосферы и базовая роль «нормальных условий» 45
2.2 Информационно-статистический метод оценки атмосферных условий 51
2.3 Методология оценки предельных, средних и суммарных нагрузок от воздействующих климатических факторов 61
2.4 Расчет комплексных нагрузок 64
2.5 Расчет нагрузок от погодных явлений 65
2.6 Нагрузки и сравнительные оценки воздействий атмосферы 2.6.1 Нагрузки и оценки воздействий температуры и давления воздуха 67
2.6.2 Нагрузки от воздействий относительной влажности воздуха 71
2.6.3 Нагрузки и оценки комплексных воздействий температуры
и относительной влажности воздуха (ТВК) з
2.6.4 Оценка коррозионной агрессивности атмосферных условий 77
2.6.5 Оценка климатических условий по погодным явлениям 79
2.6.6 Оценка климатических условий по туманам и осадкам 84
2.6.7 Нагрузки и оценки районов по коррозионному ТВК с учетом туманов и выпадающих атмосферных осадков 86
2.6.8 Нагрузки и оценки температурно-ветровых воздействий 90
2.6.9 Нагрузки и оценки воздействий солнечного излучения 92
2.6.10 Оцифровка и оценка воздействий загрязнений воздуха 94
Глава 3 Энтропийный термодинамический метод оценки качества атмосферных условий 98
3.1 Исходные положения термодинамического метода 98
3.2 Дефектная тепловая трубка и дефектный дозатор 104
3.3 Модель энергообменного контура 112
3.4 Оцифровка и оценка атмосферных условий термодинамическим методом 116
3.4.1 Нагрузки и оценки температурных воздействий 116
3.4.2 Нагрузки и оценки воздействий атмосферного давления 120
3.4.3 Оцифровка и оценка воздействий в виде изменений химического состава воздуха 123
3.4.4 Оцифровка и оценка воздействий влажности воздуха 126
3.4.5 Нагрузки и оценки воздействий атмосферных осадков и туманов 130
3.5 Модель на основе трубки тока 140
3.5.1 Нагрузки и оценки воздействий солнечного излучения 141
3.5.2 Нагрузки от кинетического воздействия ветра 144
3.5.3 Нагрузки от динамических воздействий града 146
3.5.4 Нагрузки от динамического воздействия ветра с частицами песка и пыли 147
3.6 Комплексные оценки атмосферных условий 148
3.6.1 Нагрузки и оценки воздействий температурно-влажностного комплекса 148
3.6.2 Оценка термо- баро- и влаговоздействий 153
3.6.3 Нагрузки и оценки воздействий температурно-ветрового комплекса 154
Глава 4 Эквиваленты энтропии. Объединенный энтропийный метод 157
4.1 Эквивалент информационной и термодинамической энтропии 157
4.2 Основные положения Объединенного метода
4.2.1 Оценка Объединенным методом температурных воздействий 159
4.2.2 Оценка Объединенным методом воздействий атмосферного давления 166
4.2.3 Оценка Объединенным методом воздействий влажности воздуха 169
4.2.4 Оценка Объединенным методом воздействий выпадающих атмосферных осадков и туманов 174
4.2.5 Оценка Объединенным методом воздействий солнечного излучения 178
4.2.6 Оценка Объединенным методом воздействий потоков воздуха (ветра) 181
Глава 5 Экспериментальное опробование исходных методов. Применение объединенного метода для обобщений 186
5.1 Опробование информационно-статистического метода 186
5.2 Опробование термодинамического метода 189
5.3 Применение Объединенного метода для обобщений 191
Заключение 200
Список использованной литературы
- Защита объектов от влияния погоды и климата. Структура защиты. Роль и место в защите метеоданных
- Информационно-статистический метод оценки атмосферных условий
- Оцифровка и оценка атмосферных условий термодинамическим методом
- Оценка Объединенным методом воздействий атмосферного давления
Введение к работе
Введение
В последние десятилетия благоприятные погодно-климатические условия (ПКУ) территорий государств все больше рассматриваются как естественный ресурс, как элемент национального богатства. Эффективное использование этого богатства, применение знаний о погоде и климате на практике является одной из основных задач Всемирной климатической программы.
Однако, (как указывал А. Н. Лебедев) накопленные данные метеорологических наблюдений и климатических обобщений недооцениваются и недоиспользуются. Так, в частности, метеорологи-климатологи не всегда представляют особенности проектирования, существования, функционирования технических объектов (ТО): изделий, сооружений и материалов, эксплуатируемых в атмосферных условиях, а специалисты от техники, в свою очередь, недостаточно знают возможности метеорологов-климатологов. Необходимость преодоления этого барьера разобщенности все больше осознается исследователями.
Диссертация посвящена проблеме создания новой научно обоснованной технологии (методологии) более полного использования данных о погодно-климатических условиях в целях получения от них дополнительной пользы для дальнейшего успешного развития экономики страны.
Появление новых показателей влияния ПКУ, помимо создания новых каналов взаимопонимания и взаимодействия специалистов от техники с метеорологами-климатологами, открывает также возможности по увеличению спроса на услуги и продукцию последних.
Актуальность работы вызвана следующими обстоятельствами:
ПКУ оказывают все более возрастающее агрессивное влияние на технические изделия и сооружения, на существование, функционирование, хранение ТО;
по данным ВНИИГМИ-МЦД средний годовой ущерб в России только от опасных явлений достигает 3 - 4 миллиарда рублей и составляет значимую долю ВВП; к этому следует добавить убытки от ошибок в выборе климатической защиты ТО;
меры климатической защиты ТО, как правило, весьма затратны; их применение требует «весомых» обоснований; избыточная климатическая защита ТО также невыгодна, как и недостаточная;
известные методы описания и оценки ПКУ либо отвлеченно шкалируют или индексируют атмосферные условия, либо классифицируют их по «механизмам поражений»: по влиянию на отдельные процессы, конструкции и узлы;
методы отличаются описательностью с большим элементом субъективизма, а в случае применения вероятностно-статистических параметров имеют весьма ограниченные возможности по комплексированию действия климатических факторов;
оптимизация климатической защиты ТО, приведение ее в адекватное соответствие с реальным уровнем комплексных атмосферных воздействий невозможны без разработки новой методологии объективной расчетной оценки влияния погодно-климатических факторов, без введения новых показателей обобщенных нагрузок от них.
Научная новизна работы состоит в том, что для решения рассматриваемой в диссертации проблемы использованы методы и положения квалиметрии, энергетическое энтропийное истолкование воздействий ПКУ и их последствий, а также представление о «нормальных условиях» как об условиях абсолютной благоприятности ПКУ для ТО.
Объектами исследований являются ПКУ, их, как правило, агрессивные проявления и негативные признаки и свойства относительно ТО, эксплуатируемых в атмосфере.
Предмет исследования – общие закономерности негативного влияния воздействующих климатических факторов (ВКФ) на ТО и возникающие из-за этого дополнительные нагрузки на них вследствие агрессивности, жесткости условий окружающей атмосферы.
Методы исследования:
сравнение действия ПКУ с воздействиями ВКФ в «эталонных, нормальных» условиях, обладающих базовыми показателями свойств, признаков и параметров полного качества, совершенной благоприятности относительно существования и функционирования ТО;
представление воздействий атмосферы на ТО в виде дезинформационного шума, определяемого условной энтропией с неограниченными возможностями по комплексированию; выполнение расчетов по оценке текущей агрессивности ПКУ через скорость производства информационной энтропии и оценки нагрузок от ПКУ через произведенное ее количество за выбранные промежутки времени;
выполнение аналогичных расчетов, но с представлением необратимых последствий от воздействий атмосферы через величину термодинамической энтропии и с использованием нормированного энергообмена;
выполнение тех же операций комбинированным путем с применением двух первых методов при использовании условной эквивалентности обеих энтропий в выбранных точках параметризации ПКУ с выражением получаемых результатов через скорость и количество произведенной информационной энтропии.
Личный вклад автора – разработана методология энтропийного расчета комплексных оценок агрессивности погодно-климатических условий для техники.
Задача диссертации – решение проблемы создания новой научно обоснованной методологии (технологии) более полного использования накопленных метеорологических и климатических данных о ПКУ различных географических районов для технических целей путем:
разработки методологии расчетной оценки качества ПКУ, их агрессивности, жесткости относительно ТО;
создания на этой основе нового канала взаимодействия и взаимопонимания специалистов от техники и метеорологов-климатологов.
Достоверность научных положений и полученных результатов обеспечивается:
использованием известных объективных законов термодинамики, теории информации, положений информационной теории измерений, общей и специальной квалиметрии;
применением для расчетов стандартизованных данных о погоде и климате;
результатами натурных экспериментов с образцами ТО, находившимися как в открытой экспозиции в атмосфере, так и в камерах искусственного климата.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
методология расчета объективных энтропийно-временных показателей негативных проявлений и агрессивных свойств ПКУ относительно ТО;
информационно-статистический метод расчета одномоментных и суммарных нагрузок от воздействия ПКУ на технические объекты;
термодинамический (термодиссипативный) метод – аналог первого метода;
объединенный метод, обобщающий два первых и устраняющий их недостатки;
результаты расчетов по количественной оценке агрессивных свойств и проявлений ПКУ районов и исследованных территории;
средства измерений и способы реализации отдельных положений предложенной методологии.
Практическая ценность результатов состоит в том, что предлагаемая методология, ее энтропийно-временные показатели (включая комплексные) могут быть успешно использованы при решениях следующих утилитарных задач:
при формулировании требований технических заданий на проектирование ТО, в частности – требований к их климатической защите от отдельных ВКФ и комплексных погодно-климатических воздействий;
при обосновании выбора проектировщиками оптимальной, наиболее выгодной климатической защиты ТО;
при оценке результатов климатических испытаний макетов и опытных образцов спроектированных ТО;
при доказательстве адекватности нагрузок, развиваемых режимами испытаний в камерах искусственного климата, нагрузкам, испытываемым ТО в натурных условиях в открытой экспозиции в атмосфере;
для обеспечения заданной надежности функционирования ТО путем расчетного обоснования комплектации ЗИПов, определения правил упаковки, хранения и транспортирования ТО;
при адаптации режима обслуживания к скорости расхода ресурса ТО и ресурса его климатической защиты в конкретных погодно-климатических условиях района эксплуатации с целью удешевления обслуживания ТО и обеспечения максимальной эффективности и срока службы ТО;
при разработке регламентов по районированию и параметризации ПКУ территорий для технических и прочих целей;
при прогнозировании конечных эффектов от процессов, подверженных влиянию погод и климата, по реализованной части временной траектории в сравнении с аналогичной частью траектории, выбранной за «базовый эталон»;
при отслеживании временных изменений ПКУ.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались:
на восьмом Всесоюзном семинаре «Стандартизация средств и методов защиты изделий и материалов от коррозии, старения и биоповреждений», ВДНХ СССР, Москва, 1991 г.
на научно-практической конференции, организованной Межгосударственным советом по гидрометеорологии стран СНГ и Росгидрометом, по результатам исследований в области гидрометеорологии и мониторинга загрязнения природной среды, секция 5 «технические средства, системы, методы и технологии гидрометеорологических наблюдений», Москва, 1996 г.;
на объединенном семинаре отделов ГГО им. А. И. Воейкова, Ленинград, 1993 г.
Внедрение результатов исследований.
Метод информационно-статистической оценки атмосферных условий (их сберегающего ресурса) и регистратор поверхностного увлажнения, конструкции автора, были использованы:
в 1988 г. лабораторией физической географии Института географии Казахской ССР для исследований по проблеме «Разработать и внедрить комплексную программу охраны природы при освоении нефтяных и газовых месторождений Западного Казахстана».
в 1990 г. в работах того же Института по оценке коррозионной агрессивности атмосферы в отношении технических изделий, эксплуатируемых в районах нефтепромыслов Прикаспия.
Термодинамический (термодиссипативный) метод был использован ВНИИ «Электронстандарт» в период 1990 … 1991 гг. при составлении программ лабораторных и натурных испытаний стойкости образцов материалов электронной техники к воздействующим климатическим факторам.
Результаты расчетов объединенным методом использованы для корректировки межповерочных интервалов метеорологических средств измерений.
Публикации по теме диссертации. Результаты исследований и разработок, которые были осуществлены автором лично и совместно с другими авторами, отражены в 2 патентах, 9 авторских свидетельствах на изобретение, 1 монографии и 38 опубликованных статьях.
Структура и объем диссертации: диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, списка литературы и трех приложений; содержит 230 стр., включает 29 таблиц, 21 рисунок. Список литературы содержит 219 наименований на русском и английском языках.
Защита объектов от влияния погоды и климата. Структура защиты. Роль и место в защите метеоданных
Последний век отличается резким ростом количества всевозможных конструкций, механизмов, нефте-и газооборудования, электро- и электронных устройств, приборов [8], систем тепло- и водоснабжения, сельскохозяйственных [167], лесозаготовительных, грузоподъемных и горнодобывающих машин, строительных объектов [163] и средств транспорта [166], которые эксплуатируются на открытом воздухе, хранятся под навесами или в неотапливаемых помещениях [35]. Эти изделия и сама атмосфера подвергаются активному и, как правило, неблагоприятному влиянию [27, 165]. Под их воздействием ускоряется старение и износ изделий, возрастает число скрытых и явных отказов, снижается эффективность производства; затрудняется хозяйственная деятельность.
Временами складываются погодные условия, приводящие к перегрузкам и внезапным поломкам изделий; часто происходят погодные явления, вообще препятствующие использованию сложных и дорогостоящих систем и объектов, например - летательных аппаратов и аэропортов [1; 170, 250; 251]. К таким опасным явлениям погоды можно отнести грозу, сильный ветер, туман, гололедицу, ледяной дождь и т. п. [170, 259]. По данным автора работы [209], ущерб от одиночного переохлажденного дождя в штате Теннеси составил только от повреждений линии связи и электропередач 10 млн. долларов, а от аварий и повреждений на шоссе, дорогах и улицах - еще 15 млн. долларов.
Общие потери от ветра, грозы и града в США за один неблагоприятный год достигли 125 - 250 млн. долларов [240; 242; 252]. К этому следует добавить потери на авиалиниях - 97 млн. Потери от коррозии стальных конструкций ежегодно составляют 40 млн. тонн.[239; 2]. В Австралии убытки от коррозии металлов за год доходят до 900 млн. долларов [255], а общие мировые потери стали по оценкам В. И. Агаджанова [2] составляют примерно 100 млн. тонн; причем, 10 млн. приходится на бывшие территории СССР, и это при затратах на замену конструкций в несколько миллиардов рублей.
В обстоятельной публикации В. Беера [11] собраны и систематизированы сведения о влиянии метеорологических и климатических условий на технику. Примерно в теже годы в отечественной технической литературе появились работы о влиянии ВКФ на надежность радиотехнической аппаратуры, на безотказность машин и механизмов [219; 161].
В большом количестве более поздних работ, вызванных бурным ростом экспорта оборудования и техники из СССР, рассмотрены и проанализированы особенности влияния на них тропических влажных условий [220; 221].
Практика применения техники в атмосферных условиях отмечает доминирующую роль температурных ВКФ. Под их воздействием изменяются физические и химические свойства материалов (объем, твердость, упругость, электрические, магнитные, оптические и пр.). Действие тепла и холода приводят к изменениям размеров деталей конструкций, между деталями появляются напряжения, возникают деформации, появляются каналы и трещины, зачастую разгерметизирующие корпуса изделий. В зимнее время увеличивается поток отказов машин, работающих на открытом воздухе, из-за хрупких разрушений стальных деталей и конструкций, из-за перехода металла из вязкого в хрупкое состояние.
При пониженных температурах воздуха снижается прочность на удар большинства пластических масс, увеличивается вязкость топлива, снижаются смазывающие свойства масел, происходит застывание и замерзание технических жидкостей. Все это увеличивает пусковые моменты машин, приводит их к заклиниванию - появляются особые виды отказов - пусковые отказы. У полупроводников и «чипов» при пониженной температуре увеличивается их внутренней сопротивление, изменяются переходные характеристики отдельных элементов и интегральных схем; электропроводность металлов возрастает. Увеличивается жесткость прокладок мембран, перегородок, амортизаторов; возникают напряжения в местах склейки, сварки, спайки. Особенно негативно действуют переходы через О С: на поверхностях деталей и корпусах конденсируется влага; ее замерзание и расширение приводит к возрастанию трещин, пор и зазоров [157].
Устойчивое понижение [218; 161; 167] температуры воздуха увеличивает расход электроэнергии, газа и топлива, а вместе с этим нагрузку на обогревающие устройства и их коммуникации. Низкие температуры и связанное с ним промерзание грунтов и материалов усложняют строительно-монтажные работы, снижают мощность машин и их производительность.
К негативным последствиям приводят и повышенные температуры воздуха, засуха. Повышенное тепловое воздействие в три-пять раз уменьшает долговечность электротехнической аппаратуры, вызывает ускоренной старение электроизоляции и пластмасс из-за испарения пластификаторов и омыления эфиров. Наблюдается размягчение заливочных смол, снижается вязкость пропиток, смазок, изменяется упругость резины, усложняется предохранение технических жидкостей от вытекания; уменьшается толщина смазочных масляных пленок, между трущимися поверхностями возникает контакт, что ускоряет взаимное абразивное действие деталей. Этому способствует испарение легких фракций масел, что изменяет их свойства и структуру [35; 219; 220].
При повышенных температурах возрастает электросопротивление металлических проводников, снижается коэффициент усиления полупроводниковых приборов, повышается ток утечек; снижается электрическая прочность емкостей (конденсаторов); высыхают и коробятся эластичные электроизоляционные материалы [157; 185; 233].
Информационно-статистический метод оценки атмосферных условий
Отклонения температуры воздуха в пределах RV интервала термоВКФ не выводит ТО из нормального оптимального состояния. Этот интервал на графике Рисунка 2.3 совмещен на оси абсцисс с интервалом (20 ± 5) С. Интервалы разбиения оси случайной величины температуры воздуха, расположены по разные стороны RV интервала. Естественно, график повторяет вид графика кривых на Рисунке 2.2 и конкретизирует его для термоВКФ.
Согласно таблицы 25 ГОСТ 16350 в Якутске в «Очень холодном климате» в течение года диапазон наблюдаемых значений температуры воздуха ограничен значениями минус 55 С и плюс 35 С.
Разбиение диапазона температуры воздуха и число случаев (часов) нахождения значений температуры в пределах каждого интервала разбиения (согласно материалам стандарта) приведено в первой и второй строке табл. 2.6.1.1. Третья строка представляет собой значения первого энтропийно-временного показателя, т.е. скорость производства энтропии соответствующую каждому делению шкалы температуры, подсчитанную по (2.3) и выраженную в bps.
Четвертая строка содержит значения второго энтропийно-временного показателя, т.е. количество энтропии, произведенной отклонением температуры воздуха от RV интервала до градации шкалы (до центральной точки каждого интервала), соответствующего интенсивности ВКФ. Это количество подсчитано по (2.5).
Общее количество информационной энтропии, произведенное термоВКФ за год в Якутске (- Q)T, приведено в пятой строке в мегабитах за год.
Алогичным образом были получены значения величины (- Q)T для остальных представительных пунктов климатических районов, установленных ГОСТ 16350 и ГОСТ 15150,
Согласно Диаграмме рангов ВКФ П. И. Коха [157] самым сильным влиянием на ТО обладают воздействия температуры воздуха. И действительно, по табл. 2.6.1.2 минимальную нагрузку по термоВКФ (т.е. ПКУ наиболее близкие к нормальным условиям) имеет «Теплый и влажный» район субтропиков, представляемый статистическими характеристиками пунктов наблюдения: метеорологическими станциями в Батуми и Сухуми. Значения нагрузок в у слови ях остальных климатических районов в целом соответствуют современным представлениям: максимальную нагрузку имеет «Очень холодный» район с представительным пунктом Якутск и несколько менее значимую - «Умеренно холодный» район с представительным пунктом Улан-Удэ. Нагрузка уменьшается вдоль по ряду до минимума, а затем возрастает в условиях «Жаркого и сухого» климатического района (Ташкент) и «Очень жаркого и сухого» района (Ашхабад). Если оценку района Батуми/Сухуми принять за единицу, то сравнительные оценки неблагоприятности атмосферных условий районов по тер-моВКФ для ТО приведены в нижней строке табл. 2.6.1.2.
Согласно п. 3.15 ГОСТ 15150 [37] за нормальные значения атмосферного давления принять RV интервал от 840 до 1067 гПа при абсолютном значении на уровне моря 1013,25 гПа.
График зависимости скорости производства информационной энтропии (- q;)p от действия бароВКФ не представлен отдельно, т. к. имеет вид подобный аналогичном графикам на Рисунках 2.2 и 2.3. Естественно, что интервал разрыва кривой бароВКФ близок к вышеприведенным значениям и находится в интервале (1013 ± 50) гПа. Интервалы разбиения оси случайной величины атмосферного давления также расположены по разные стороны RV интервала. Естественно, график повторяет вид графика кривых на Рисунке 2.2 и конкретизирует его для бароВКФ.
Материалы табл. 23 ГОСТ 16350 свидетельствуют, что границы интервала среднего давления воздуха за год на высотах пунктов метеонаблюдений, выбранных в качестве представительных и экстремальных для климатических районов, соответствуют значениям 933,2 гПа (Оймякон) и 1019,1 гПа (Астара), т.е. не выходят за границы RV интервала. По причине неразличимости воздействий бароВКФ в интервале разрыва кривой графика анализ влияния атмосферного давления в ПКУ районов методом ИСМ не представляется возможным. Однако, из справочника по климату [211] известно, что за минимальное среднее давление за год можно принять значение 600 гПа, характерное для метеостанции Ледник Федченко. В этом случае согласно (2.3) значение первого энтропийно-временного показателя при разбиении оси давления на интервалы 100 гПа составит (- qj)p — 2,32 bps, а второго энтропийно-временного показателя при Ат = 1 с и выборе ТИВ длительностью в один год даже без учета средней температуры воздуха согласно соотношению (2.5) (- Q)p 73224 бит за год 73,22 Мбит за год
Это значение вполне сравнимо с количеством информационной энтропии, произведенное термоВКФ за год в Якутске (- Q)T, приведенным в табл. 2.6.1.2.
Т. О., нагрузки и оценки по термоВКФ и бароВКФ, полученные с помощью ИСМ, совпадают с общепринятым мнением о том, что эксплуатация ТО затруднена в высокогорьях, в Холодных и Жарких районах, а климатические условия субтропиков наиболее благоприятны ТО по термоВКФ и бароВКФ.
Согласно Диаграмме рангов П. И. Коха, воздействия относительной влажности воздуха (ВКФ ОВВ) при выходе ее значений из интервала RV по значимости для эксплуатации ТО играет вторую по негативности роль среди ВКФ после термоВКФ.
График зависимости скорости производства энтропии (-q) u от действия ВКФ ОВВ подобен графику термоВКФ на Рисунке 2.3. График также имеет две симметричные ветви с разрывом в интервале нормальных значений 50 ... 60 %. Интервал нормальных значений выбран из градаций разбиения оси ВКФ ОВВ табл. 25 ГОСТ 16350 исходя из наличия в его пределах центральной точки ( 62 %) интервала нормальных значений ОВВ по п.3.15 ГОСТ 15150.
Графика отдельным рисунком не представлен из-за его схожести с графиком термоВКФ на Рисунке 2.3, но вид кривых (-q) u = f(U) можно видеть в составе других кривых на Рисунках 3.6 и 4.3. Диапазон действия ОВВ от 1 до 100 % разбит согласно табл. 25 ГОСТ 16350 на 10%-е интервалы, каждому из которых отвечает свое значение скорости производства энтропии (-q) u Согласно табл. 25 ГОСТ 16350 в Якутске в «Очень холодном климате» в течение года диапазон наблюдаются значения ОВВ в интервале от 1 % до 100 %. Разбиение всего интервала ОВВ и число случаев (часов) нахождения значения ОВВ в пределах каждого деления разбиения приведено в первой и второй строке табл. 2.6.2.1. Третья строка представляет собой первый энтропийно-временной показатель, т.е. скорость производства энтропии ВКФ ОВВ (-q) u, соответствующую центральной точке каждого деления оси ОВВ и подсчитанную по (2.3), bps.
Оцифровка и оценка атмосферных условий термодинамическим методом
Эта энергия, рассеиваемая посредством А0Т, в нашем случае, может рассматриваться как энергия, расходуемая на старение, на износ трубки, т.е. на негативное изменение ее внутренней энергии (AU). Из теории круговых процессов следует положение термодинамики, по которому к.п.д. произвольного цикла (т)) любой тепловой машины не может превосходить к.п.д. обратимого цикла Карно (гк), проводимого при температуре Истока Ти и температуре Стока Тс, т.е. п г\к.
Если тепловая машина будет работать с максимальным к.п.д. цикла Карно, то потери от ее функционирования определяются разностью количества тепла, затраченного на ее работу Истоком Q „ и количества тепла, полученного от машины Стоком Q c, соотнесенной с Q H , т.е. гк = (Q H - Q CVQ H = (Ти -Тс)/Т„. В связи с тем, что природа рассматриваемой тепловой машины "паразитная" - относительно предназначения тепловой трубки, то для коэффициента необратимости обмена термической энергией между Истоком и Стоком с помощью такой несовершенной (по конструкции) модели трубки справедливо выражение: кт где кт — коэффициент необратимости обмена системы и окружающей среды при прохождении через нее основного термического энергозаряда Ет.
Коэффициент кт определяет размеры «платы» за функционирование трубки, которая начинает немедленно «взиматься» после ее включения, т.е. после появления разностей: Т - Тн Ф 0 и Ти - Тс ф 0, причем в качестве Т„ и Тс могут выступать как Т, так и Тн. Выбор значений температур в качестве Т„ и Тс определяется направлением отклонения температуры воздуха от расчетного значения по шкале температур, но при обязательном выполнении неравенства Т« Тс Т. О., при возникновении «ощутимых» следов термоВКФ, т.е. выполнения неравенства Т - Тн Ф 0, начинается основной тактовый процесс передачи термической энергии Бг от Истока к Стоку, сопровождающийся выделением и рассеянием с «побочного» выхода импульсов А0Т ТЗД.
В соответствии с положениями термодинамики величина Ет изобарного процесса определяется равенством (Ет)р = Ср (Ти - Тс) [77; 93], тогда из (3.11) и (3.7) для такого процесса следует: (А0Т)Р = кт ЕУТер = кт Ср (Тй - Тс), (3.12) где Ср 30,04 Дж/(моль воздуха К) - теплоемкость моля воздуха при постоянном давлении (в RC), а с учетом (3.9): (A,ST)P = (А0г)р/Тср = Ср (Т„ - Тс)2/Ти Тер, (3.13) где (AjST)p - изменение энтропии, возникающей в результате протекания необратимого изотермического энергообмена внутри системы «ТО - атмосфера» при термоВКФ, отображаемое импульсами ТЗД (А0Т)Р , проходящими при рассеянии через контрольную наружную поверхность ТО.
Пр имечание-В дальнейшем индекс изобарности «р» при (А0т)р и (AjST)p будет опускаться.
Следует отметить важность использования при расчетах по выражению (3.13) абсолютных значений температур и соблюдения неравенства Тк Тс.
Обмен другими формами энергии также сопровождается энергопотерями, причем (по Вейнику) - в виде все того же ТЗД (Д0). Так, обмен объемно 108 механической энергией Еом может быть представлен моделью, аналогичной вышеприведенной - моделью дефектного дозатора газа (Рисунок 3.2). Дозатор предназначен для передачи «порций избыточного» давления газа -пневмоимпульсов от Пневмоистока к Пневмостоку для выполнения последующей работы. На Рисунке 3.2 показан Пневмоисток, Пневмосток и сам дозатор избыточного давления с корпусом (1), совершающий возвратно-поступательное движение между ними. Дозатор, как и тепловая трубка, работает в импульсном режиме, и эта работа также может быть представлена по тактам.
В первом такте дозатор входит посредством клапана в контакт с внутренним объемом Пневмоистока, имеющего повышенное давление (ри); во втором такте - дозатор посредством второго сработавшего клапана, входит в контакт с внутренним объемом Пневмостока, имеющего пониженное давление (рс), и передает пневмоимпульс для последующего целевого использования - т. е. для выполнения работы. Вследствие конструктивных недостатков корпуса дозатора (1) при передаче пневмоимпульса в нем возникает эффект упругой деформации, который сопровождается изменением объема корпуса. Описанная ситуация, как и в случае с тепловой трубкой, может быть смоделирована встроенным в корпус дозатора цилиндром (2) и поршнем (3) с возвратной пружиной (4). Естественно, при отсутствии основного процесса, когда ри = рс, поршень неподвижен. При появлении разности давлений Др = ри - рс возникает основной процесс передачи пневмоимпульсов и одновременно поршень приходит в движение; объем дозатора начинает пульсировать. Работа пружины не проходит бесследно: пружина при работе разогревается, и часть энергии передаваемых дозатором пневмоимпульсов рассеивается в окружающем пространстве.
В узком интервале атмосферного давления в непосредственной близости к расчетному Нормальному значению р" дозатор не работает. При «ощутимом» отклонении давления окружающего воздуха от Нормального значения начинается основной процесс и одновременно корпус дозатора периодически подвергается упругой деформации. Вследствие этого, объем корпуса начинает пульсировать в такт передаваемым пневмоимпульсам. Амплитуда пульсаций увеличивается по мере отклонения давления воздуха р от рн.
Легко представить, что процесс изотермический (Т = const), причем, одним из давлений «движущей» разности Ар является Нормальное давление окружающей среды рн. Это означает, что дозатор начинает действовать с началом действия бароВКФ.
По мере усиления действия бароВКФ все большая часть передаваемой дозатором объемно-механической энергии Еом пневмоимпульсов расходуется на «побочную» работу пружины и рассеивается в окружающем пространстве в виде соответствующей составляющей ТЗД (А Эом).
Энергия, затрачиваемая на работу поршня против силы атмосферного давления, представляет собой энергопотери основного процесса передачи пневмоимпульсов. Тогда, по аналогии с (3.11), можем записать:
Оценка Объединенным методом воздействий атмосферного давления
Минимальную интенсивность процесса коррозии в опосредованном виде отображает скорость производства энтропии при температурах воздуха от минус 4,9 до 4,9 С и ОВВ 76 ... 85 %, равная в соответевтии с матрицей 0,03985 эе/с, в результате действия которой за год производиться 1257 кэе за год. Используя это значение, была оценена коррозионная Жесткость районов, которая приведена в последней строке таблицы. Благоприятная оценка по коррозионной опасности района, представляемого условиями Якутска, объясняется существованием продолжительных низких температур воздуха, при которых атмосферная коррозия пракически не протекает.
Абсолютные значения (AjS) из табл. 3.6.1.2 и (AiS)njKp из табл. 3.6.1.3 сравнивать нельзя, т.к. при получении значений последней величины была смещена точка начала координат, но местоположение минимума и максимума оценок и их ход совпадает с местоположением и ходом сравнительных оценок табл. 2.6.4.1, полученных ИСМ методом.
В связи с последним обстоятельством представляет интерес построить таблицу аналогичную табл. 2.6.7.1, учитывающую туманы и осадки и сравнить оценки районов атмосферных условий, полученные обоими энтропийными методами, т.е. методами исходящими из разных определений энтропии
Последняя строка таблицы свидетельствует об отсутствии районов «избавленных» климатическими условиями от атмосферной коррозии металлов.
При сравнении табл. 3.6.1.4 и табл. 2.6.7.1 прежде всего обращает на себя внимание то обстоятельство, что ход сравнительных оценок по ряду сохранился, только минимум сместился из «Очень холодного» района в «Очень жаркий» район. Отсюда можно сделать вывод что погрешность совместных оценок климатических районов обеих таблиц лежит в интервале ± (0,16 ... 0,27). Этой погрешностью можно объяснить нарушение плавности хода восходящей ветви табл. 2.6.7.1 оценкой района, представляемого условиями Минска. Кроме того, определенную погрешность в расчеты величин (AiS)- и (AjS)»,, внесло и то об 153
стоятельство, что при вычислении их значений не в полной мере учитывались конкретные условия выпадения осадков и образования туманов, их водности. Однако, порядок их абсолютных значений позволяет их все же сравнить с более конкретными абсолютными значениями (AS)TUKP.
В целом из сравнения табл. 3.6.1.4 и 2.6.7.1 следует подтверждение мнения практиков о Жесткости ГЖУ «Теплых и влажных» районов субтропиков (Батуми/Сухуми), усугубляемой появлением дополнительных воздействующих факторов, и прежде всего - химических и биологических загрязнений, а также разностей электрических потенциалов в рабочих блоках и линиях связи.
Годовые нагрузки климатических районов по влиянию ТВК табл. 3.6.1.4, вычисленные ТДМ, подтверждают мнение экспертов-практиков о большой коррозионной опасности ПКУ влажных субтропиков, преставляемых атмосферными условиями Батуми/Сухуми, и, тем самым, подтвержадют работоспособность ТДМ при оцифровке и оценке комплексрых воздействий ВКФ.
Пользуясь аддитивностью энтропийных оценок можно оценить совместные термо- баро- и влаговоздействия относительно RC условий по среднегодовым значениям температуры, относительной влажности воздуха и атмосферного давления и представить результаты в виде табл. 3.6.2
Как следует из табл. 3.4.2, нагрузки от бароВКФ по абсолютным значениям в представительных пунктах Ташкент, Улан-Удэ не превышают 700 и 900 кэе за год соответственно. Нагрузка в RC условиях от бароВКФ составляет 25 кэе за год; RC условиях термоВКФ и ОВВ в течение года производят 210 кэе за год и 1230 кэе за год, т.е. при совместном действии 1440 кэе за год. Тогда, имеем общую сумму по влиянию ТВК и бароВКФ в RC примерно 1465 кэе за год. С помощью этой суммы можно оценить Жесткость условий климатических районов по ТВК. Такие оценки приведены в последней строке таблицы. Из ряда строки видно, что климатические условия только Батуми/Сухуми Благоприятны, а другие районы в целом Неблагоприятны для экспуатации ТО по ТВК и бароВКФ. Это положение подтверждает ранее сделанные выводы, что одно лишь ТВК без учета остальных обстоятельств не отражает Жесткости, агрессивности ПКУ влажных субтропиков относительно ТО, а может в своих значениях только подтвердить мнение курортологов о высоких рекреационных свойствах ПКУ этого климатического района. Т.О., ТДМ в состоянии оцифровывать и оценивать сложные и разнонаправленные комплексные воздействия ВКФ.
